创新的“反向燃料电池”能以十倍的速度将废弃的二氧化碳转化为有价值的化学

时间:2020-02-20 18:19 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

创新的“反向燃料电池”能以十倍的速度将废弃的二氧化碳转化为有价值的化学

研究人员开发了一种增强型装置,可以将二氧化碳转化为有价值的化学物质,其速度是之前版本的10倍。

燃料电池将化学物质转化为电能。现在,多伦多大学的一个工程团队采用了燃料电池的技术来做相反的事情:利用电力从废弃的碳(CO2)中制造有价值的化学物质。

“几十年来,有才华的研究人员一直在开发把电转化为氢再转化为氢的系统,”2020年2月7日发表在《科学》杂志上的一篇论文的资深作者之一泰德·萨金特教授说。“我们的创新建立在这个传统的基础上,但通过使用碳基分子,我们可以直接插入现有的碳氢化合物基础设施。”

在氢燃料电池中,氢和氧在催化剂的表面结合在一起。化学反应释放电子,这些电子被燃料电池内的特殊材料捕获,并被泵入电路。

与燃料电池相反的是电解装置,它利用电来驱动化学反应。这篇新论文的作者是设计将二氧化碳转化为其他碳基分子(如乙烯)的电解质的专家。该团队包括MIE博士候选人Adnan Ozden,由David Sinton教授(MIE)指导,以及Sargent团队的几名成员,包括ECE博士候选人Joshua Wicks, ECE博士后研究员F. Pelayo Garcia de Arquer和前ECE博士后研究员曹- thang Dinh。

创新的“反向燃料电池”能以十倍的速度将废弃的二氧化碳转化为有价值的化学

“乙烯是世界上生产最广泛的化学品之一,”威克斯说。“从防冻剂到草坪家具,它都被用来制造。今天它来自化石燃料,但如果我们可以通过升级废二氧化碳来制造它,它将为碳捕获提供新的经济激励。”

今天的电解槽生产乙烯的规模还不足以与来自化石燃料的乙烯竞争。部分挑战在于将二氧化碳转化为乙烯和其他碳基分子的化学反应的独特性质。

“这个反应需要三件事:二氧化碳,它是一种气体;氢离子,来自液态水;以及通过金属催化剂传导的电子。奥兹登说。“带着这三个不同的阶段——尤其是二氧化碳迅速地联合起来是具有挑战性的,这就是限制反应速度的原因。”

在他们最新的电解槽设计中,团队使用了一种独特的材料排列方式来克服将反应物聚集在一起的挑战。电子是通过该团队之前开发的铜基催化剂传递的。但是,这种新型电解槽中的催化剂不是一层扁平的金属,而是以小颗粒的形式嵌入一种被称为Nafion的材料层中。

Nafion是一种离子单体;一种可以传导带电粒子(离子)的聚合物。如今,它通常用于燃料电池,其作用是在反应堆内运输带正电的氢离子。

“在我们的实验中,我们发现Nafion的某种安排可以促进二氧化碳等气体的运输,”一个强盗说。“我们的设计使气体反应物能够以足够快的速度到达催化剂表面,并以足够分散的方式显著提高反应速率。”

由于反应不再受三种反应物聚合速度的限制,研究小组将二氧化碳转化为乙烯和其他产物的速度比以前快了10倍。他们在不降低反应堆整体效率的情况下完成了这项工作,这意味着以大致相同的资本成本生产更多的产品。

尽管有了这些进步,该设备离商业可行性还有很长的路要走。剩下的主要挑战之一是在新的高电流密度下催化剂的稳定性。

“我们可以以10倍的速度注入电子,这很好,但我们只能在催化剂层分解前,让系统运转大约10个小时,”Dinh说。“这离工业应用所需的数千小时的目标还很远。”

Dinh现在是皇后大学的化学工程教授,他正在继续研究稳定催化剂层的新策略,如进一步修改Nafion的化学结构或增加额外的层来保护它。

其他团队成员计划应对不同的挑战,如优化催化剂以生产乙烯以外的其他具有商业价值的产品。

我们以乙烯为例,但这里的原理可以应用于合成其他有价值的化学物质,包括乙醇;威克斯说。除了它的许多工业用途外,乙醇也被广泛用作燃料。

以碳中和的方式生产燃料、建筑材料和其他产品的能力是减少我们对化石燃料依赖的重要一步。

“即使我们停止使用石油作为能源,我们仍然需要所有这些分子,”一个强盗说。如果我们能利用废弃的二氧化碳和可再生能源来生产这些燃料,我们就能对我们的经济脱碳产生重大影响。

参考文献:“当活性大于1 A cm?2时,将CO2电解为多碳产物”作者:F. Pelayo Garcia de Arquer、ao- thang Dinh、Adnan Ozden、Joshua Wicks、Christopher McCallum、Ahmad R. Kirmani、Dae-Hyun Nam、Christine Gabardo、Ali Seifitokaldani、Xue Wang、Yuguang C. Li、Fengwang Li、Jonathan Edwards、Lee J. Richter、Steven J. Thorpe、David Sinton和Edward H. Sargent, 2020年2月7日,《科学》。

DOI: 10.1126 / science.aay4217

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